DE102022210096A1 - Process for producing a solid state cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, wobei mindestens eine Elektrodenschicht (12, 22) und mindestens eine Separatorschicht (14) bereitgestellt werden, wobei ein schmelzflüssiger und ionenleitfähiger Klebstoff auf eine Grenzfläche (20) der Separatorschicht (14) und/oder der Elektrodenschicht (12, 22) aufgetragen wird, wobei die Elektrodenschicht (12, 22) und die Separatorschicht (14) übereinander gestapelt angeordnet werden, und wobei die Grenzflächen (20) der Separatorschicht (14) und der Elektrodenschicht (12, 22) unter Ausbildung einer ionenleitfähigen Klebeverbindung miteinander stoffschlüssig gefügt werden.The invention relates to a method for producing a solid cell, wherein at least one electrode layer (12, 22) and at least one separator layer (14) are provided, wherein a molten and ion-conductive adhesive is applied to an interface (20) of the separator layer (14) and/or the Electrode layer (12, 22) is applied, the electrode layer (12, 22) and the separator layer (14) being arranged stacked one above the other, and the interfaces (20) of the separator layer (14) and the electrode layer (12, 22) being formed be joined together in a materially bonded manner using an ion-conductive adhesive bond.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere zur Herstellung einer Halb- oder Monozelle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Zellkomponente für eine Feststoffzelle sowie eine Feststoffzelle und eine Festkörperbatterie.The invention relates to a method for producing a solid cell, in particular for producing a half or mono cell. The invention further relates to a cell component for a solid-state cell as well as a solid-state cell and a solid-state battery.
Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.Motor vehicles that are driven or can be driven electrically or by electric motors, such as electric or hybrid vehicles, usually include an electric motor with which one or both vehicle axles can be driven. To supply electrical energy, the electric motor is usually connected to a vehicle-internal (high-voltage) battery as an electrical energy storage device.
Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt.Here and below, a particularly electrochemical battery is to be understood as meaning, in particular, a so-called secondary battery (secondary battery) of the motor vehicle. In such a (secondary) vehicle battery, used chemical energy can be restored by means of an electrical (charging) process. Such vehicle batteries are designed, for example, as electrochemical accumulators, in particular as lithium-ion accumulators.
Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul (Batteriezellmodul) auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind. Alternativ ist ein sogenanntes Cell2Pack-Design möglich, bei welchem die Batteriezellen direkt zu der Fahrzeugbatterie zusammengeschaltet, insbesondere parallelgeschaltet, und nicht vorab zu Modulen zusammengefasst werden.In order to generate or provide a sufficiently high operating voltage, such vehicle batteries typically have at least one battery module (battery cell module), in which several individual battery cells are connected in a modular manner. Alternatively, a so-called Cell2Pack design is possible, in which the battery cells are connected directly to the vehicle battery, in particular connected in parallel, and are not combined into modules in advance.
Die Batteriezellen sind beispielsweise als elektrochemische (Dünn-)Schichtzellen ausgeführt. Die Dünnschichtzellen weisen einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht (Kathode) und mit einer Anodenschicht (Anode) sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht (Separator) auf. Diese Bestandteile werden beispielsweise von einem flüssigen Elektrolyten (Flüssigelektrolyt) durchdrungen, welcher eine ionenleitfähige Verbindung der Bestandteile beziehungsweise einen Ladungsausgleich erzeugt. In der Regel sind hierbei mehrere Schichtzellen als ein Zellenstapel übereinander gestapelt angeordnet.The battery cells are designed, for example, as electrochemical (thin) layer cells. The thin-film cells have a layered structure with a cathode layer (cathode) and an anode layer (anode) and with a separator layer (separator) inserted between them. These components are penetrated, for example, by a liquid electrolyte (liquid electrolyte), which creates an ion-conductive connection between the components or a charge equalization. As a rule, several layer cells are arranged stacked one above the other as a cell stack.
Die Effizienz der Zellproduktion wird durch den Herstellungsprozess sowie durch die Produktkonstitution festgelegt. Einer der effizientesten Produktionsstrategien von konventionellen Dünnschichtzellen ist die Herstellung von Monozellen (Einzel-Zellen) mittels Lamination und einer darauf folgenden Stapelbildung zu einem Monozellenstapel (Einzel-Zellen-Stapel, Einzel-Zellen-Stack) mit finaler Lagen- oder Schichtanzahl. Unter „Lamination“ wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Anode und/oder eine Kathode durch Einbringung von Druck und Temperatur an einem oder mehreren laminierfähigen Separatoren gefügt wird. Die daraus entstehen Monozellen können beispielsweise als Anode/Separator/Kathode/Separator-Stapel oder als Kathode/Separator/Anode/Separator-Stapel ausgeführt sein. Durch die Produktkonstitution beziehungsweise den Aufbau der Monozellen kann durch direkte Stapelung ein alternierender Zellaufbau hergestellt werden.The efficiency of cell production is determined by the manufacturing process and the product constitution. One of the most efficient production strategies for conventional thin-film cells is the production of monocells (single cells) using lamination and subsequent stacking to form a monocell stack (single cell stack, single cell stack) with the final number of layers or layers. In this context, “lamination” means that an anode and/or a cathode is joined to one or more laminable separators by applying pressure and temperature. The resulting monocells can be designed, for example, as an anode/separator/cathode/separator stack or as a cathode/separator/anode/separator stack. Due to the product constitution or the structure of the monocells, an alternating cell structure can be created by direct stacking.
Batteriezellen mit einem Festkörperelektrolyten (Festelektrolyt, FE) als Separatorschicht, nachfolgend auch als Festkörperzellen oder Feststoffzellen bezeichnet, weisen bei gleichem Baugewicht und/oder Bauvolumen eine höhere Energiespeicherdichte als Schichtzellen mit Flüssigelektrolyten auf. Batterien mit Festkörperzellen sind nachfolgend auch als Festkörperbatterien (FKB) oder Feststoffbatterien bezeichnet.Battery cells with a solid electrolyte (solid electrolyte, FE) as a separator layer, hereinafter also referred to as solid state cells or solid cells, have a higher energy storage density than layer cells with liquid electrolytes for the same weight and/or volume. Batteries with solid-state cells are also referred to below as solid-state batteries (FKB) or solid-state batteries.
In Festkörperbatterien werden die (Festkörper-, Feststoff-)Elektroden oder Elektrodenschichten, also die Kathoden mit einem Katholyt beziehungsweise die Anoden (ungleich Li-Metall) mit einem Anolyt, mit einem Festkörperelektrolyten (Keramik, Glas oder Glaskeramik) als Separator zu einem Zellstapel gestapelt. Der Anolyt und/oder der Katholyt können hierbei aus einem Polymer oder einer Keramik, einem Glas oder einer Glaskeramik bestehen.In solid-state batteries, the (solid-state, solid-state) electrodes or electrode layers, i.e. the cathodes with a catholyte or the anodes (not Li metal) with an anolyte, are stacked to form a cell stack with a solid-state electrolyte (ceramic, glass or glass-ceramic) as a separator . The anolyte and/or the catholyte can consist of a polymer or a ceramic, a glass or a glass ceramic.
Nachteiligerweise sind die Separatoren bzw. Festkörperelektrolyte bei Feststoffzellen vergleichsweise fragil und nicht lokal aufschmelzbar, so dass die konventionelle Laminations-Technologie nicht für die Herstellung von Feststoffzellen einsetzbar ist. Aktuell gibt es keinen kontinuierlichen Produktionsprozess zur Herstellung von Feststoffzellen-Monozellen.The disadvantage is that the separators or solid electrolytes in solid-state cells are comparatively fragile and cannot be melted locally, so that conventional lamination technology cannot be used for the production of solid-state cells. There is currently no continuous production process for producing solid-state monocells.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst effektive und effiziente Herstellung von Feststoffzellen realisiert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Zellkomponente und eine besonders geeignete Feststoffzelle sowie eine besonders geeignete Festkörperbatterie anzugeben.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for producing a solid-state cell. In particular, the most effective and efficient production of solid-state cells should be realized. The invention is also based on the object of specifying a particularly suitable cell component and a particularly suitable solid-state cell as well as a particularly suitable solid-state battery.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Zellkomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie hinsichtlich der Feststoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und hinsichtlich der Feststoffbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.With regard to the method, the task is solved with the features of claim 1 and with regard to the cell component with the features of claim 4 and with regard to the solid cell the features of
Die Erfindung betrifft ein neues Zelldesign für Feststoffzellen, welches die Produktion wesentlich effizienter gestaltet. Die Erfindung betrifft insbesondere den Aufbau einer Zellkomponente, insbesondere einer Feststoff-Halbzelle oder einer Sandwich-Zelle oder einer Feststoff-Monozelle (Feststoff-Einzel-Zelle) oder eines Monozellenstapels, zur Realisierung eines möglichst kontinuierlichen Produktionsprozesses. Die Herstellung dieser Halb- oder Monozellen geschieht jedoch nicht wie bei konventionellen Lithium-Ionen-Zellen über das Erwärmen der Zellkomponenten, sondern über den Einsatz eines schmelzflüssigen Klebstoffes.The invention relates to a new cell design for solid-state cells, which makes production much more efficient. The invention relates in particular to the construction of a cell component, in particular a solid half cell or a sandwich cell or a solid monocell (solid single cell) or a monocell stack, in order to realize a production process that is as continuous as possible. However, these half or mono cells are not produced by heating the cell components, as is the case with conventional lithium-ion cells, but rather by using a molten adhesive.
Unter einem schmelzflüssigen Klebstoff wird ein Klebstoff oder Adhäsionsmittel verstanden, welches im getrockneten oder erhärteten Zustand ein Festkörper ist, und welcher bei einer Erwärmung in einen flüssigen Aggregatzustand übergeht. Der schmelzflüssige Klebstoff ist also insbesondere als ein Schmelzklebstoff oder Heißklebstoff (Hotmelt) ausgeführt. Der schmelzflüssige Klebstoff weist hierbei vorzugsweise eine vergleichsweise niedrige Schmelztemperatur zwischen 25 °C (Grad Celsius) und 50 °C, insbesondere zwischen 30 °C und 40 °C, beispielsweise etwa 35 °C auf. Der Begriff „etwa“ bezeichnet hierbei insbesondere einen gewissen Temperaturbereich um den angegeben Temperaturwert, beispielsweise ± 3°. Beispielsweise ist eine Temperatur von etwa 35° als (35 ± 3)°, also als ein Temperaturbereich zwischen 32 °C bis 38 °C, zu verstehen.A molten adhesive is understood to mean an adhesive or adhesive agent which is a solid in the dried or hardened state and which changes into a liquid state when heated. The molten adhesive is therefore designed in particular as a hot melt adhesive or hot melt adhesive. The molten adhesive preferably has a comparatively low melting temperature between 25 °C (degrees Celsius) and 50 °C, in particular between 30 °C and 40 °C, for example about 35 °C. The term “approximately” refers in particular to a certain temperature range around the specified temperature value, for example ± 3°. For example, a temperature of approximately 35° is to be understood as (35 ± 3)°, i.e. as a temperature range between 32 ° C and 38 ° C.
Unter einer (Feststoff-)Halbzelle (Feststoff-Halb-Zelle) ist hier und im Folgenden insbesondere eine Zellkomponente mit lediglich zwei Zellschichten oder Zelllagen zu verstehen. Unter einer Zellschicht oder Zelllage ist hierbei ein zugeschnittenes oder abgelängtes (Elektroden/Separator-)Blatt zu verstehen Die Zellschichten weisen hierbei eine Elektrodenschicht, also eine Festkörper- oder Feststoffelektrode, beispielsweise eine Kathodenschicht oder Anodenschicht, und eine Separatorschicht, also einen Festkörperelektrolyten, auf. Die Elektrodenschicht und die Separatorschicht sind übereinander gestapelt angeordnet. Die Halbzelle bildet im Hinblick auf die Zellherstellung die kleinste Baueinheit oder Zellkomponente.Here and below, a (solid) half cell (solid half cell) is to be understood in particular as meaning a cell component with only two cell layers or cell layers. A cell layer or cell layer is to be understood as meaning a cut or cut-to-length (electrode/separator) sheet. The cell layers here have an electrode layer, i.e. a solid or solid electrode, for example a cathode layer or anode layer, and a separator layer, i.e. a solid electrolyte. The electrode layer and the separator layer are stacked one above the other. The half cell is the smallest structural unit or cell component in terms of cell production.
Das Elektrodenschicht weist hierbei beispielsweise ein (Elektroden-)Aktivmaterial, einen Binder, ein Leitruß und einen Festelektrolyt auf. Das Elektrodenschichtweist als Aktivmaterial beispielsweise ein Anoden- oder Kathodenaktivmaterial auf.The electrode layer has, for example, an (electrode) active material, a binder, a conductive carbon black and a solid electrolyte. The electrode layer has, for example, an anode or cathode active material as the active material.
Für eine Anode wird beispielsweise Graphite (Grafit) oder Lithium-Legierende Materialien wie beispielsweise Silizium (Si), Zink (Sn), oder Lithium-Titanat verwendet. Die Anode kann beispielsweise auch lediglich durch einen Kollektor (Kupfer/Aluminium) gebildet sein, auf welchem sich Lithium abscheiden kann. Der Kollektor kann hierbei auch beschichtet sein, beispielsweise kann der Kollektor eine Nickelbeschichtung aufweisen.For example, graphite (graphite) or lithium-alloying materials such as silicon (Si), zinc (Sn), or lithium titanate are used for an anode. The anode can, for example, simply be formed by a collector (copper/aluminum) on which lithium can deposit. The collector can also be coated, for example the collector can have a nickel coating.
Im Falle einer Kathode werden insbesondere Lithium-Übergangsmetalloxide wie NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide) oder LMNO (Lithium-Mangan-Nickel-Oxid) mit unterschiedlichen stöchiometrichen Verhältnissen, LFP (Lithium-Eisen-Phosphat) oder andere Phosphate wie LMP (Lithium-Metall-Polymer) verwendet. Als Leitadditive können zum Beispiel (Leit-)Ruße, Graphen, Carbon Nano Tubes (CNT) in der Ausführung als Single Wall (SWCNT) oder Multi Wall (MWCNT) oder auch Kombinationen hieraus verwendet werden.In the case of a cathode, in particular lithium transition metal oxides such as NMC (lithium-nickel-manganese-cobalt oxides) or LMNO (lithium-manganese-nickel oxide) with different stoichiometric ratios, LFP (lithium iron phosphate) or other phosphates such as LMP (Lithium Metal Polymer) is used. For example, (conductive) carbon blacks, graphene, carbon nano tubes (CNT) in the version as single wall (SWCNT) or multi wall (MWCNT) or combinations thereof can be used as conductive additives.
Als Separatormaterial für die Separatorschicht kann beispielsweise LLZO (Lithium-Lanthan-Zirconium-Oxid) oder LATP (Aluminium-Lithium-Titian-Phosphat) und deren Derivate verwendet werden.For example, LLZO (lithium-lanthanum-zirconium oxide) or LATP (aluminum-lithium-titanium-phosphate) and their derivatives can be used as separator material for the separator layer.
Die nächst größere Baueinheit oder Zellkomponente ist hier und im Folgenden auch als Sandwich-Zelle (Sandwichzelle) bezeichnet. Eine Sandwichzelle weist drei Zellschichten auf. Hierbei ist entweder eine Elektrodenschicht sandwichartig zwischen zwei Separatorschichten angeordnet, oder eine Separatorschicht ist sandwichartig zwischen zwei Elektrodenschichten mit unterschiedlicher Polarität, also zwischen einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht, angeordnet.The next larger structural unit or cell component is also referred to here and below as a sandwich cell. A sandwich cell has three cell layers. Here either an electrode layer is arranged sandwich-like between two separator layers, or a separator layer is arranged sandwich-like between two electrode layers with different polarity, i.e. between an anode layer and a cathode layer.
Unter einer (Feststoff-)Monozelle (Feststoff-Mono-Zelle) ist hier und im Folgenden insbesondere eine Anordnung von zwei Halbzellen mit unterschiedlicher Polarität zu verstehen. Dies bedeutet, dass eine Halbzelle mit einer Anodenschicht und die andere Halbzelle eine Elektrodenschicht mit einer Kathodenschicht aufweist. Die Monozellen sind beispielsweise als Anode/Separator/Kathode/Separator-Stapel oder als Kathode/Separator/Anode/Separator-Stapel ausgeführt.Here and below, a (solid-state) monocell (solid-state mono-cell) is understood to mean, in particular, an arrangement of two half-cells with different polarities. This means that one half cell has an anode layer and the other half cell has an electrode layer with a cathode layer. The monocells are designed, for example, as an anode/separator/cathode/separator stack or as a cathode/separator/anode/separator stack.
Unter einem Monozellenstapel ist hier und im Folgenden insbesondere eine direkte alternierende Anordnung von einer Anzahl von Monozellen, also zumindest von zwei Monozellen, zu verstehen, so dass im Zellstapel entlang der Stapelrichtung alternierend Anodenschichten und Kathodenschichten angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten jeweils durch Separatorschichten voneinander getrennt sind.Here and below, a monocell stack is to be understood in particular as meaning a direct alternating arrangement of a number of monocells, i.e. at least two monocells, so that anode layers and cathode layers are arranged alternately in the cell stack along the stacking direction, the electrode layers each being separated from one another by separator layers are.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere einer Zellkomponente, wie beispielsweise einer Halb-, Sandwich- oder Monozelle oder eines Monozellenstapels, vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Verfahrensgemäß werden mindestens zwei Zellschichten oder Zelllagen bereitgestellt. Insbesondere werden mindestens eine Elektrodenschicht und mindestens eine Separatorschicht bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird ein schmelzflüssiger und ionenleitfähiger Klebstoff auf zumindest eine der Grenzfläche der Separatorschicht und/oder der Elektrodenschicht aufgetragen. Insbesondere wird der Klebstoff geschmolzen und in einem flüssigen Zustand auf die Grenzfläche aufgetragen.The method according to the invention is intended for producing a solid cell, in particular a cell component, such as a half, sandwich or mono cell or a mono cell stack, and is suitable and set up for this purpose. According to the method, at least two cell layers or cell layers are provided. In particular, at least one electrode layer and at least one separator layer are provided. According to the invention, a molten and ion-conductive adhesive is applied to at least one of the interfaces of the separator layer and/or the electrode layer. In particular, the adhesive is melted and applied to the interface in a liquid state.
Die Elektrodenschicht und die Separatorschicht werden anschließend übereinander gestapelt angeordnet, wobei die aneinander anliegenden Grenzflächen der Separatorschicht und der Elektrodenschicht unter Ausbildung einer ionenleitfähigen Klebeverbindung (Adhäsionsverbindung) stoffschlüssig miteinander gefügt werden. Der flüssige Klebstoff wird also ausgehärtet, wodurch die Separatorschicht und die Elektrodenschicht stoffschlüssig mechanisch und elektrisch verbunden werden.The electrode layer and the separator layer are then arranged stacked one on top of the other, with the adjacent interfaces of the separator layer and the electrode layer being joined together in a materially bonded manner to form an ion-conductive adhesive bond (adhesive bond). The liquid adhesive is therefore hardened, whereby the separator layer and the electrode layer are mechanically and electrically connected in a materially bonded manner.
Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle realisiert. Insbesondere ermöglicht das Verfahren ein einfaches und zuverlässiges Herstellen von Feststoff-Halb-, Sandwich- und Monozellen, wobei durch den Einsatz des schmelzflüssigen und ionenleitfähigen Klebstoffs eine besonders vorteilhafte Produktkonstitution und Produktstrategie zur Herstellung von reinen Feststoffzellen gegeben ist.This creates a particularly suitable method for producing a solid-state cell. In particular, the process enables simple and reliable production of solid half, sandwich and mono cells, with the use of the molten and ion-conductive adhesive providing a particularly advantageous product constitution and product strategy for the production of pure solid cells.
Der Klebstoff soll erfindungsgemäß lediglich eine Haftfestigkeit während der Assemblierung gewährleisten (Stapeln von Monozellen). Im späteren Batteriebetrieb ist ein erneutes Aufschmelzen des Klebstoffs unkritisch, da die Zelllagen bei einem Ladevorgang, bei welchem die Batteriezelle mit elektrischer Energie aufgeladen wird und sich dabei erwärmt, aufgrund einer Ausdehnung (Zellatmung, Breathing) der Zelllagen im Zellgehäuse nicht gegeneinander verrutschen können. Der schmelzflüssige Klebstoff dient somit im Wesentlichen lediglich dazu die Produktion der Batteriezelle effizienter zu gestalten.According to the invention, the adhesive is only intended to ensure adhesion during assembly (stacking monocells). During later battery operation, re-melting of the adhesive is not critical, since the cell layers cannot slip against each other during a charging process in which the battery cell is charged with electrical energy and heats up in the process due to expansion (cell breathing) of the cell layers in the cell housing. The molten adhesive essentially only serves to make the production of the battery cell more efficient.
Bevorzugterweise werden mit dem Verfahren zunächst Halbzellen und Monozellen hergestellt, und anschließend ein Monozellenstapel als Zellstapel der Feststoffzelle aus den Monozellen durch direkte Stapelung erzeugt. Dadurch ist eine Verbesserung und Steigerung der Effizienz in einer Zellbaulinie für Feststoffzellen ermöglicht.Preferably, half cells and monocells are first produced using the method, and then a monocell stack is produced as a cell stack of the solid cell from the monocells by direct stacking. This makes it possible to improve and increase efficiency in a cell construction line for solid-state cells.
In einer denkbaren Ausführungsform wird insbesondere die Grenzfläche zwischen einer Kathodenschicht und der Separatorschicht mittels des schmelzflüssigen und ionenleitfähigen Klebstoffes gefügt. Die Anoden-Sandwich-Zelle kann hierbei auch beispielsweise durch eine Verbundfolie aus Separator/Anode/Separator ausgebildet sein.In a conceivable embodiment, in particular the interface between a cathode layer and the separator layer is joined using the molten and ion-conductive adhesive. The anode sandwich cell can also be formed, for example, by a composite film made of separator/anode/separator.
Unter einem „Stoffschluss“ oder einer „stoffschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile an Ihren Kontaktflächen durch stoffliche Vereinigung oder Vernetzung (beispielsweise aufgrund von atomaren oder molekularen Bindungskräften) gegebenenfalls unter Wirkung eines Zusatzstoffs zusammengehalten werden.A “material connection” or a “cohesive connection” between at least two interconnected parts is understood here and below in particular to mean that the interconnected parts at their contact surfaces through material combination or networking (for example due to atomic or molecular binding forces), if necessary under effect of an additive are held together.
Sowohl die Elektrodenschicht als auch die Separatorschicht weisen fertigungsbedingt zumindest eine gewisse Oberflächenrauhigkeit auf. Bei einer Feststoffzelle ist es für einen guten Ladungstransport jedoch notwendig, dass der Kontakt zwischen den Zellschichten, also insbesondere zwischen der Elektrodenschicht und der Separatorschicht, möglichst innig ist. Aufgrund der Rauigkeit der Oberflächen, kann jedoch häufig keine vollständig flächige Kontaktierung der beiden Zellschichten realisiert werden. Neben der besseren Produktionsgestaltung führt der Auftrag des ionenleitfähigen Klebstoffes vorteilhafterweise auch dazu, dass der Grenzflächenwiderstand zwischen dem Separator und der Anode/Kathode reduziert wird. Des Weiteren ermöglich der Klebstoff die Kompensation von Unebenheiten in der Grenzschicht welches wiederum zu einer verbesserten Homogenität führt, und somit zu einer Steigerung der elektrochemischen Performance der fertigen Feststoffzelle. Die Klebstoffschicht ist hierbei möglichst dünn ausgeführt, damit die volumetrische Kapazität der Batteriezelle nicht nachteilig reduziert wird. Beispielsweise weist die aufgetragene Klebstoffschicht eine Schichtdicke zwischen 0,1 µm (Mikrometer) und 10 µm auf.Both the electrode layer and the separator layer have at least a certain surface roughness due to the manufacturing process. In a solid-state cell, however, it is necessary for good charge transport that the contact between the cell layers, in particular between the electrode layer and the separator layer, is as close as possible. Due to the roughness of the surfaces, however, it is often not possible to achieve complete surface contact between the two cell layers. In addition to better production design, the application of the ion-conductive adhesive also advantageously leads to a reduction in the interface resistance between the separator and the anode/cathode. Furthermore, the adhesive enables the compensation of unevenness in the interface, which in turn leads to improved homogeneity and thus to an increase in the electrochemical performance of the finished solid-state cell. The adhesive layer is made as thin as possible so that the volumetric capacity of the battery cell is not adversely reduced. For example, the applied adhesive layer has a layer thickness of between 0.1 µm (micrometers) and 10 µm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Klebstoff Ethylencarbonat (EC) auf. Mit anderen Worten wird ein Klebstoff verwendet, welcher EC aufweist, und trotzdem in der Lage ist Ionen zu leiten und die notwendigen Komponenten (Elektrodenschicht/Separatorschicht) zu fügen. EC weist einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt auf, so dass eine besonders einfache Auftragung ermöglicht ist.In a preferred embodiment, the adhesive has ethylene carbonate (EC). In other words, an adhesive is used that has EC and is still able to conduct ions and join the necessary components (electrode layer/separator layer). EC has a comparatively low melting point, making it particularly easy to apply.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird EC als schmelzflüssiger Klebstoff verwendet. Mit anderen Worten ist der Klebstoff im Wesentlichen durch EC gebildet. Der Anteil von EC im Klebstoff ist größer als 50 Gew-% (Gewichtsprozent), insbesondere größer als 75 Gew-%, beispielsweise größer als 90 Gew-%. EC weist einen Schmelzpunkt von 37 °C auf, und ist somit besonders geeignet für das vorstehend beschriebene Verfahren.In a particularly preferred embodiment, EC is used as a molten adhesive. In other words, the adhesive is essentially formed by EC. The proportion of EC in the adhesive is greater than 50% by weight (weight percent), in particular greater than 75% by weight, for example greater than 90% by weight. EC has a melting point of 37 °C and is therefore particularly suitable for the process described above.
Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die erfindungsgemäße Zellkomponente übertragbar und umgekehrt. Die erfindungsgemäße Zellkomponente ist für die Herstellung einer Feststoffzelle vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die Zellkomponente weist mindestens eine Elektrodenschicht und mindestens eine Separatorschicht auf, wobei die Elektrodenschicht und die Separatorschicht übereinander gestapelt angeordnet sind, und wobei die Elektrodenschicht und die Separatorschicht an den einander zugewandten Grenzflächen mittels einer schmelzflüssigen und ionenleitfähigen Klebeverbindung stoffschlüssig miteinander gefügt sind. Die Zellkomponente ist hierbei insbesondere eine Einheits- oder Halbzelle der Feststoffzelle. Durch die erfindungsgemäße Klebeverbindung ist eine besonders geeignete Zellkomponente realisiert.The advantages and refinements mentioned with regard to the method can also be transferred to the cell component according to the invention and vice versa. The cell component according to the invention is intended for the production of a solid cell and is suitable and set up for this purpose. The cell component has at least one electrode layer and at least one separator layer, the electrode layer and the separator layer being arranged stacked one above the other, and the electrode layer and the separator layer being joined to one another in a materially bonded manner at the mutually facing interfaces by means of a molten and ion-conductive adhesive bond. The cell component is in particular a unit or half cell of the solid cell. A particularly suitable cell component is realized by the adhesive connection according to the invention.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zellkomponente insbesondere als ein Monozellenstapel ausgeführt, und weist eine Anzahl von alternierend als Kathode und Anode ausgeführten Elektrodenschichten auf, welche unter Zwischenlage jeweils einer Separatorschicht voneinander getrennt angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten und die Separatorschichten jeweils mittels einer schmelzflüssig ionenleitfähigen Klebeverbindung stoffschlüssig miteinander gefügt sind.In an advantageous embodiment, the cell component is in particular designed as a mono-cell stack and has a number of electrode layers designed alternately as cathode and anode, which are arranged separately from one another with the interposition of a separator layer, the electrode layers and the separator layers each being made by means of a molten ion-conductive adhesive connection are cohesively joined together.
Die erfindungsgemäße Feststoffzelle weist eine vorstehend beschriebene Zellkomponente auf. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der Zellkomponente sinngemäß auch für die Feststoffzelle und umgekehrt.The solid cell according to the invention has a cell component described above. The statements in connection with the cell component also apply analogously to the solid cell and vice versa.
Die erfindungsgemäße Festkörperbatterie ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die Festkörperbatterie ist beispielsweise als eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, ausgeführt.The solid-state battery according to the invention is intended for a motor vehicle and is suitable and set up for it. The solid-state battery is designed, for example, as a traction battery of an electrically driven or drivable motor vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
-
1 eine Anoden-Halbzelle, -
2 eine Anoden-Sandwichzelle, -
3 eine Kathoden-Halbzelle, -
4 eine Kathoden-Sandwichzelle, -
5 eine Monozelle in einer ersten Ausführungsform, -
6 eine Monozelle in einer zweiten Ausführungsform, und -
7 unterschiedliche Ausführungen für einen Monozellenstapel.
-
1 an anode half cell, -
2 an anode sandwich cell, -
3 a cathode half cell, -
4 a cathode sandwich cell, -
5 a monocell in a first embodiment, -
6 a monocell in a second embodiment, and -
7 different versions for a mono cell stack.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numbers in all figures.
Nachfolgend ist anhand der
Die
In der in
In dem Ausführungsbeispiel der
In der
Die
Die Halbzellen 2 und 6 bilden die kleinste Baugruppe oder Baueinheit bei der Herstellung der Feststoffzelle, wobei die Sandwichzellen 4 und 8 die nächst größere Baueinheit sind.The
Die Halbzellen 2, 6 sind zu einer Zellkomponente 10, nachfolgend auch als Monozelle bezeichnet, zusammensetzbar. Das Zusammensetzen der Halbzellen 2, 6 zu der Monozelle 6 erfolgt vorzugsweise unter Verwendung des ionenleitfähigen und schmelzflüssigen Klebstoffs. Mit anderen Worten werden die Elektrodenschichten 12, 22 der einen Halbzelle 2, 6 an der Grenzfläche 20 mit der Separatorschicht 14 der jeweils anderen Halbzelle 6, 2 stoffschlüssig gefügt und kontaktiert. Die
Vorzugsweise wird der Zellstapel einer Feststoffzelle oder -batterie durch eine Zellkomponente 11 in Form eines Monozellenstapels gebildet, bei welchem die Monozellen 10 direkt alternierend aufeinandergestapelt sind. Der Monozellenstapel 11 weist hierbei mindestens zwei Monozellen 10 auf. Die Monozellen 10 sind hierbei unter Verwendung des ionenleitfähigen und schmelzflüssigen Klebstoffs an den jeweils zugewandten Grenzflächen 20 gefügt und kontaktiert.The cell stack of a solid-state cell or battery is preferably formed by a
Die
Der ausgehend von der linken Seite der
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.The claimed invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all of the individual features described in connection with the various exemplary embodiments can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention.
Denkbar sind beispielsweise auch Zellkomponenten aus Kombinationen von Halbzellen 2, 6 mit Sandwichzellen 4, 8, welche als Baueinheit zur direkten Stapelung für den Monozellenstapel 11 verwendet werden können.For example, cell components made up of combinations of
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 22
- Zellkomponente, Anoden-HalbzelleCell component, anode half cell
- 44
- Zellkomponente, Anoden-SandwichzelleCell component, anode sandwich cell
- 66
- Zellkomponente, Kathoden-HalbzelleCell component, cathode half cell
- 88th
- Zellkomponente, Kathoden-SandwichzelleCell component, cathode sandwich cell
- 1010
- Zellkomponente, MonozelleCell component, monocell
- 1111
- Zellkomponente, MonozellenstapelCell component, monocell stack
- 1212
- Elektrodenschicht, AnodenschichtElectrode layer, anode layer
- 1414
- SeparatorschichtSeparator layer
- 1616
- Stromableitercurrent arrester
- 1818
- Aktivmaterial, AnodenmaterialActive material, anode material
- 2020
- Grenzflächeinterface
- 2222
- Elektrodenschicht, KathodenschichtElectrode layer, cathode layer
- 2424
- Aktivmaterial, KathodenmaterialActive material, cathode material
- 2626
- Stromableiter current arrester
- EoptEopt
- EnergieoptimierungEnergy optimization
Claims (7)
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